JP5403056B2

JP5403056B2 - 非接触電流センサ

Info

Publication number: JP5403056B2
Application number: JP2011524684A
Authority: JP
Inventors: 泰史荻本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-04-12
Also published as: EP2461168A1; US9939466B2; WO2011013412A1; US9041388B2; JPWO2011013412A1; KR101687939B1; US20120187945A1; EP2461168A4; US20150247884A1; KR20160022389A; KR20120040221A; KR101594383B1

Description

本発明は、非接触電流センサに関し、特に、電流が誘起する磁場を検知することにより非接触で電流を測定するセンサに関する。

近年、環境・エネルギー技術への関心の高まりは著しく、電気機器の電流値を非接触で高精度に測定する技術は様々な場面で必要とされている。例えば、パワー半導体の代表的なデバイスであるインバータには電流センサが必須であり、また、ブレーカについてもしかりである。

上述したデバイスは、数百アンペアの電流を消費するため、電流が誘起する磁場（電流誘起磁場）を非接触で検知する場合、その検知に使用される電流センサは、測定対象とする磁場の大きさが一桁から数十Ｏｅ（エルステッド）となる。

また、カーエレクトロニクスに電流センサが使用される場合には、エンジンルーム内の環境ノイズが大きいため、感度が非常に高いが飽和してしまうＭＩセンサを使用するのは困難である。したがって、このような場合においては、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子を用いた非接触電流センサの使用が検討されている。

上述したＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は、ハードディスクの読出しヘッドとして既に実用化されている。ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、スピンバルブと呼ばれる磁性多層膜構造を有している。ここで、スピンバルブ構造とは、磁性層（ピン層）と、非磁性層と、磁性層（フリー層）とを積層してなる構造である。ピン層は、フリー層よりも磁化の向きが反転しづらいように構成されている。非磁性層は、２つの磁性層の間（ピン層とフリー層との間）の磁気結合を切断する役割を果たすために配置されている。スピンバルブ構造は、この非磁性層に金属が用いられた場合にはＧＭＲ素子として動作し、一方、絶縁体が用いられた場合にはＴＭＲ素子として動作する。

これらＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の動作原理としては、検知対象とする磁場の影響によりフリー層の磁化の向きがピン層の磁化の向きに対して角度を生じる現象を利用する。つまり、角度に応じてスピンバルブ構造の抵抗値が変化するので、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、この抵抗値の変化により磁場を検知する。ここで、フリー層の磁化の向きとピン層の磁化の向きとが平行となる場合（平行配置）に抵抗値が最も低く、フリー層の磁化の向きとピン層の磁化の向きとが反平行となる場合（反平行配置）に抵抗値が最も高くなる。

ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、検知対象からの微小な漏れ磁界を検知するために、平行配置と反平行配置との間において線形性（リニアリティ）がある領域で磁場を検知するようなアナログ動作を基本としている。
例えば、磁気ヘッドにおいては、強磁性膜（ハードバイアス膜と呼ばれる）が隣接して配置されている。つまり、このような配置により一定のバイアス磁場がかかり、フリー層の磁化の向きがピン層の磁化の向きに対して予め傾いた状態となる。このような予め傾いた状態を基準とすることにより上述したアナログ動作が実現されている。また、デバイスの感度は、フリー層の保磁力で決まるため、これらＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子においては、検知対象とする磁場よりもフリー層の保磁力が小さくなるように材料あるいは構造が設計されている。

特開２００７−３０５６２９号公報

しかしながら、上述したようなアナログ動作を行うＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、パワー半導体やブレーカへの適用、あるいはカーエレクトロニクス等のように環境ノイズが大きい条件下での測定には不向きである。すなわち、アナログ動作において高精度（高分解能）測定を行う場合には、分解能と引き換えに出力が減少するという原理的な問題を避けることはできない。したがって、周辺環境ノイズが強い環境下での動作は困難になり、また、後段に高速高性能なプリアンプが必要となる等の新たな問題も生じる。一方、ディジタル検出動作においてはアナログ動作のような問題はないものの、平行配置及び反平行配置に対応する２値のみの検出となるため、非接触電流センサとしての適用範囲が狭くなるという別の問題が生じる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、環境ノイズが大きい環境下においても動作可能な非接触電流センサを提供することである。特に、本発明の目的は、一桁から数十Ｏｅの電流誘起磁場を高精度に、フリー層の保磁力に律速されることなく、原理的には無限小の磁場分解能で検知することが可能な非接触電流センサを提供することである。

本願の発明者は、従来の線形性（リニアリティ）を前提としたアナログ動作を原理とする非接触センサのあり方にまで立ち戻って上記課題を吟味することにより、以下に示す量子化手法を用いたディジタル動作を基本とする非接触電流センサの発明に至った。

すなわち、本発明の非接触電流センサは、上記課題を解決するために、フリー層と、ピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に配置された非磁性層とを備えるスピンバルブ構造と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段とを備えている。
そして、前記フリー層の保磁力が、検知対象とする前記電流誘起磁場よりも大きくなるように構成されている。また、前記電気的手段が、前記スピンバルブ構造に電流を印加することによって、前記ピン層と前記フリー層の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、前記抵抗読出手段が、前記平行な状態と前記反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっている。

上記構成によれば、スピンバルブ構造のフリー層の磁化の向きがピン層の向きに対して平行な状態と反平行な状態とをそれぞれ論理値“０”、“１”に対応させることにより、非接触電流センサのセンシングをディジタル動作として行うことができる。これにより、平行な状態と反平行な状態との間の遷移時の電流値に対応した量子化が行われ、非接触電流センサにおける高精度な磁場の検知が可能となる。

すなわち、上記構成では、電流誘起磁場が存在する場合には、フリー層の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が低減するという点に注目している。本発明は、電流誘起磁場の大きさによって、フリー層の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が変化するということを利用している。つまり、電流誘起磁場を検知する際に、電気的手段が電気バイアス（電流または電圧）の値を変化させることにより検知可能な磁場の閾値が変化する。本発明によれば、これを利用して量子化行うことにより、アナログ動作や２値ディジタル動作では不可能であった、センサ出力を犠牲にすることなく高精度に（原理的には無限小の）磁場を検知する理想的な非接触電流センサを実現することができる。

また、本発明の別の形態によれば、面積の異なる前記スピンバルブ構造が複数設けられ、前記複数のスピンバルブ構造が直列に接続されている。これにより、電気的手段が同一の電流を複数のスピンバルブ構造に流した場合に、各スピンバルブ構造において電流密度が変化することになる。つまり、各スピンバルブ構造に異なる（電流なしで検出可能な）磁場閾値を割当てることができる。

また、本発明の別の形態によれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっている。つまり、電気的手段における電流の印加と抵抗読出手段における抵抗値の読出しとが交互に複数回行われ、電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させる。これにより、パルス高さに対応した量子化が行われることになる。

また、本発明の別の形態によれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっている。つまり、電気的手段における電流の印加と抵抗読出手段における抵抗値の読出しとが交互に複数回行われ、電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させる。これにより、パルス幅に対応した量子化が行われることになる。

本発明に係る非接触電流センサによれば、フリー層と、ピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に配置された非磁性層とを備えるスピンバルブ構造と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段とを備え、前記フリー層の保磁力が、検知対象とする前記電流誘起磁場よりも大きくなるように構成され、前記電気的手段が、前記スピンバルブ構造に電流を印加することによって、前記ピン層と前記フリー層の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、前記抵抗読出手段が、前記平行な状態と前記反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっているので、スピンバルブ構造のフリー層の磁化の向きがピン層の向きに対して平行な状態と反平行な状態とをそれぞれ論理値“０”、“１”に対応させることにより、非接触電流センサの磁場の検知をディジタル動作として行うことができる。つまり、従来のフリー層とピン層の磁化の向きの角度によってアナログに磁場を検知するのに比べて、環境ノイズの影響を受けにくくなり、高精度に磁場を検知することができる。すなわち、非接触電流センサにおける高精度な電流の検知が可能となる。

また、本発明に係る非接触電流センサによれば、面積の異なる前記スピンバルブ構造が複数設けられ、前記複数のスピンバルブ構造が直列に接続されているので、電気的手段が同一の電流を流した際に、各スピンバルブ構造において電流密度が異なることになる。その際、検出対象の磁場に対応する閾値以上の電流密度が作用するスピンバルブ構造において、ピン層とフリー層の磁化の向きが平行状態と反平行状態との間で遷移し、その状態が保持されることになる。このように、スピンバルブ構造の数に対応した量子化が行われることになり、一回の電流の印加だけで高精度な磁場の検知が可能となる。また、一回の電流の印加だけで磁場の検知ができるので、より高速な磁場の検知を行うことができる。

また、本発明に係る非接触電流センサによれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっているので、パルス高さに対応して磁場の値が検知されることになり、１つのスピンバルブ構造で磁場の検知を行うことができる。

また、本発明に係る非接触電流センサによれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっているので、パルス幅に対応して磁場の値が検知されることになり、１つのスピンバルブ構造で磁場の検知を行うことができる。

本発明の実施形態に係る非接触電流センサと検知対象とする電流及び磁場（電流誘起磁場）との関係を模式的に示した図である。本発明の実施形態に係る非接触電流センサのスピンバルブ構造の断面図である。本発明の実施形態に係る非接触電流センサについて、検知対象となる磁場と検知時に印加する電流密度との関係を示した図である。（ａ）は、スピンバルブ構造の接合部の面積と検知時に印加する電流密度との関係を示す図であり、（ｂ）は、面積の異なるスピンバルブ構造を直列に接続した構成を模式的に示した図である。本発明の実施形態に係る非接触電流センサにおいて、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図であり、印加するごとに電流のパルス高さを変えるプロセスを示した図である。（ａ）は、電流パルス幅（対数値）と検知時に印加する電流密度との関係を示した図であり、（ｂ）は、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図であり、印加するごとに電流のパルス幅を変えるプロセスを示した図である。

以下、本発明の実施形態に係る非接触電流センサを、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る非接触電流センサと、検知対象とする電流及び磁場（電流誘起磁場）との関係を模式的に示した図である。図２は、実施形態に係る非接触電流センサのＴＭＲ素子の断面図である。

本実施形態に係る非接触電流センサ１は、測定対象となる電流２０により誘起される電流誘起磁場ＡをＧＭＲ素子あるいはＴＭＲ素子により検知するものである。
図１に示すように、非接触電流センサ１は、スピンバルブ構造からなるＴＭＲ素子２と、ＴＭＲ素子２に接続された電気パルス源３とを備えている。

ＴＭＲ素子２は、スパッタ法により積層された複数の層を備えている。図２に示すように、基板１０上には、下部電極（Ｃｕ／Ｔａ）１１と、ピン層（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ）１２と、非磁性層としてのトンネル絶縁膜（ＭｇＯ）１３と、フリー層（ＣｏＦｅＢ）１４とが当該順に積層されている。

図２に示すように、ピン層１２とトンネル絶縁膜１３とフリー層１４の３層は、Ａｒイオンミリングなどの手法により２００×１００ｎｍの接合サイズに加工されている。そして、これら３層１２，１３，１４と下部電極１１上には、層間絶縁膜（ＳｉＯ_２）１５が形成されている。

図２に示すように、層間絶縁膜１５には、ピン層１２とトンネル絶縁膜１３とフリー層１４の３層（接合部）へ接続するための第１のコンタクトホール１５ａと、下部電極１１へ接続するための第２のコンタクトホール１５ｂが形成されている。そして、層間絶縁膜１５上には、上部電極（Ｃｕ／Ｔａ）１６が形成されている。

以上のような構成により、ＴＭＲ素子２は、３００℃〜３５０℃の温度下において、１Ｔ程度の磁場中でアニール（annealing）を行うことにより、ピン層１２の磁化の向きを固定することができる。また、この際、トンネル絶縁膜（ＭｇＯ）１３と、ピン層１２及びフリー層１４のＣｏＦｅＢとが結晶化することにより、１００％〜２００％の巨大な磁気抵抗（すなわち磁場センシング時の、フリー層１４及びピン層１２の磁化配置における平行（低抵抗）、反平行（高抵抗）に対応する抵抗変化に基づく出力値）が得られることになる。

図１に示すように、電気パルス源３は、電流誘起磁場Ａを検知する際にＴＭＲ素子２のスピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段４と、電流誘起磁場Ａを検知する際にＴＭＲ素子２のスピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段５とを備えている。

本実施形態における電気的手段４は、最近発見され現在では不揮発メモリ（ＭＲＡＭ）の基幹技術として研究されている電流注入磁化反転と呼ばれるフリー層１４の磁化反転を行う手段として使用される。
この電流注入磁化反転とは、電流の極性によりピン層１２の磁化の向きＢ及びフリー層１４の磁化の向きＣを平行な状態から反平行な状態へ、あるいは反平行な状態から平行な状態へと反転（遷移）させる方法である。

まず、ピン層１２の磁化の向きＢとフリー層１４の磁化の向きＣが平行になる場合について説明する。ここで、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きが平行になるとは、双方の磁化の向きが同じ方向に整列することをいう。
ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを平行にするには、電気的手段４は、フリー層１４側から電流を流す。そうすると、スピン偏極した電子が、ピン層１２からトンネル絶縁膜１３を介してフリー層１４に注入される。フリー層１４にスピン偏極した電子が注入されると、フリー層１４の磁化は、ピン層１２の磁化方向と同じ向きのトルクを受ける。これにより、フリー層１４の磁化の向きＣがピン層１２の磁化の向きＢと平行な状態に遷移する。なお、この状態を論理値“０”とする。

次に、ピン層１２の磁化の向きＢとフリー層１４の磁化の向きＣが反平行になる場合について説明する。ここで、ピン層１２とフリー層の磁化の向きが反平行になるとは、双方の磁化の向きが互いに反対方向に向いていることをいう。
ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きが平行な状態において、電気的手段４は、ピン層１２側から電流を流す。そうすると、スピン偏極した電子が、フリー層１４からトンネル絶縁膜１３を介してピン層１２に注入される。このとき、ピン層１２と平行なスピンを有する電子のみがピン層１２に注入され、ピン層１２と平行でないスピンを有する電子は反射されてフリー層１４に蓄積されることになる。これにより、フリー層１４の磁化の向きＣがピン層１２の磁化の向きＢと反平行な状態に遷移する。なお、この状態を論理値“１”とする。

抵抗読出手段５は、ＴＭＲ効果によって生じたＴＭＲ素子２の抵抗値を読み取るように構成されている。ＴＭＲ素子２においては、上述したような平行状態（論理値“０”）と反平行状態（論理値“１”）とで電気抵抗が変化する。この現象をトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）という。つまり、本実施形態の非接触電流センサ１は、抵抗読出手段５が論理値“０”から論理値“１”に遷移した際の抵抗値を読み出すことにより、その遷移に対応した電気的手段４の電流値を検知するように構成されている。これにより、非接触電流センサ１は、電流２０の電流誘起磁場Ａを検知することができる。なお、この時読み出しに使用する電流値（電圧値）は、上記のフリー層１４の磁化反転を引き起こさない、すなわち電流注入磁化反転の閾値以下に設定すればよい。

本実施形態において、従来の磁気センサや非接触電流センサ、あるいは電流誘起磁場により記録消去を行うＭＲＡＭと異なる点は、フリー層１４の磁化の保磁力が、検知対象となる電流誘起磁場Ａよりも大きくなるように構造あるいは材料を設計することである。

このような目的に使用可能なものとして、構造を変えることによる保磁力変化の方法が知られている。例えば、形状磁気異方性を利用するのであれば、磁化方向のサイズを短くすることで反磁場が大きくなるため保磁力を大きくすることが可能である。
また、サイズ（Ｄ）を変えることで保磁力が１／Ｄに比例して大きくなるという現象を利用することもできる。例えば、本実施形態で示す〜１００ｎｍのサイズにおいては、素子サイズを１００ｎｍから５０ｎｍにすることで保磁力を２倍にすることができる。さらに素子サイズが一定の場合には、材料によりその依存性は異なるが膜厚によって保磁力を変えることも可能である。一方、保磁力の異なる磁性材料を用いることも勿論可能である。さらに、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅなどの軟磁性材料にＰｔやＴａ、Ｎｂ等の非磁性材料を添加することで数Ｏｅ〜１００Ｏｅの範囲で保磁力を増加させることも可能である。また、フェリ磁性材料であるＴｂＦｅＣｏやＣｏ／Ｎｉ多層膜などの垂直磁化膜を使用することも勿論可能である。

次に、本発明に係る非接触電流センサ１において、電流誘起磁場を検知する方法を以下に説明する。

例えば、フリー層１４の保磁力を１５Ｏｅとし、検知対象とする磁場が１０Ｏｅ以下であると仮定する。このように磁場の強さがフリー層１４の保磁力より小さい場合、ＴＭＲ素子２のスピンバルブ構造に電流を印加しなければ、フリー層１４の磁化が平行状態（論理値“０”）と反平行状態（論理値“１”）との間で遷移しない。したがって、電流による電流誘起磁場が検知できないことになる。当然ながら、抵抗読出手段５による抵抗値の読出しなどに使用される電圧・電流値は、フリー層１４の磁化の向きが遷移するのに必要な値よりも十分に小さいため、何ら変化は起きない。

ここで、本発明では、電流誘起磁場が存在する場合には、フリー層１４の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が低減するという点に注目している。つまり、電流誘起磁場の大きさによって、フリー層１４の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が変化するということを利用する。言い換えると、磁化の平行配置と反平行配置との間の状態遷移が２種類の外場、すなわち（電流誘起）磁場または電流で独立に行えるので、このとき片方の外場をパラメータとすれば、他方の外場のスイッチング（状態遷移）の閾値は可変となる。これにより、原理的には無限小のサンプリング間隔で量子化を行うことが可能になる。したがって、フリー層１４の保磁力の制限を受けることなく、原理的には無限小の分解能が可能な高精度の磁場検出を、出力を減少させることなく（なぜなら、常に出力はディジタルの“０”、“１”となるため）行えるのである。

図３は、本発明の実施形態に係る非接触電流センサ１について、検知対象となる磁場と検知時に印加する電流の電流密度との関係を示した図である。なお、ここで、電流密度とは、単位面積あたりの電流値を指す。
ここで、磁場の検知時にＴＭＲ素子２に印加する電流をＩとする（すなわち、電流値は一定である）。図３は、電流ＩにおけるＮ個の電流密度Ｊ_１〜Ｊ_ＮとＮ個の磁場の大きさＨ_１〜Ｈ_Ｎとの関係を示している。
図３中の点線で示されているように、電流密度と磁場の範囲（下限）が１対１に対応している。この図３の直線関係は、電流誘起磁場が存在する状況下における電流密度の閾値をシミュレーションにより求めた結果である。

一方、図３の縦軸の電流密度を２乗し、横軸を磁場としてグラフをリプロットした場合でも、同様の直線関係が得られる。この直線関係は、フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な磁気エネルギーと電気エネルギー（スピン流）の和が一定という条件に（１次近似の範囲で）対応していると考えられる。
Ｃｏｎｓｔ＝Ｉ^２Ｒ＋ＭＨ（式１）
ここで、Ｉは、ＴＭＲ素子２に印加された電流であり、Ｒは、ＴＭＲ素子２で測定された抵抗値である。また、Ｍは、フリー層１４の磁化を表し、Ｈは、検知対象の磁場を表す。

なお、ここで得た直線関係は、必ずしも必要ではなく、電流密度と磁場の値とが１対１に対応していればよい。ただし、磁場を検知する際のバイアス制御については、直線関係が得られている場合には、検知対象となる磁場範囲に対して一定の電流幅のマージンで対応できるという利点がある。

図３に示すように、Ｎ個の電流密度Ｊ_１〜Ｊ_Ｎにより検知可能な磁場の大きさがＨ_１〜Ｈ_Ｎとなるので、本実施形態では、Ｎ個の量子化が行われることになる。つまり、検知対象とした１０Ｏｅ以下の磁場がＮ個にサンプリングされ、ある磁場Ｈ_ｉ（Ｈ_１≦Ｈ_ｉ≦Ｈ_Ｎ）対応する電流密度Ｊ_ｉ（Ｊ_１≦Ｊ_ｉ≦Ｊ_Ｎ）を、フリー層１４の磁化の向きの遷移に対応してディジタル検知することができる。
ここで、測定精度に合わせて量子化サンプリング数を増加させればさせるほど、電流誘起磁場を高精度に検知することができる。また、抵抗読出手段５の抵抗値の読出しにおいてもパルスを用いれば、そのパルスの周期にあわせてロックイン検知することによりＳ／Ｎを向上させることができる。これにより、更に高精度で磁場を検知することが可能となる。

なお、図３の縦軸の一番上に示したＪｃは、電流誘起磁場が０の場合における電流密度の閾値である。この電流密度Ｊｃを用いることにより、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを平行な状態及び反平行な状態のいずれの状態に初期化することができる。

次に、本発明に係る非接触電流センサ１において量子化サンプリングを行うための第１の実施形態を説明する。図４（ａ）は、スピンバルブ構造の接合部の面積と検知時に印加する電流密度との関係を示す図であり、図４（ｂ）は、面積の異なるスピンバルブ構造を直列に接続した構成を示した図である。

図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、面積の異なるスピンバルブ構造（ＴＭＲ素子）が複数設けられ、複数のスピンバルブ構造が直列に接続されている。そして、電気的手段４は、直列に接続されたスピンバルブ高層に一定の電流Ｉを印加するようになっている。

直列に接続されたスピンバルブ構造において一定の電流Ｉが印加されると、各スピンバルブ構造は面積が異なるので、各スピンバルブ構造ごとに電流密度が異なることになる。つまり、図４（ａ）に示すように、面積の異なるＮ個のスピンバルブ構造Ｓ_１〜Ｓ_Ｎに対してＮ個の電流密度Ｊ_１〜Ｊ_Ｎが１対１に対応する。したがって、本実施形態によれば、単一の電流Ｉを用いるだけで、スピンバルブ構造の数に対応した量子化サンプリングを行うことができる。

また、スピンバルブ構造の面積が異なるので、フリー層１４の磁化の向きの遷移に対応する抵抗値もスピンバルブ構造ごとに異なる。これを利用して、抵抗読出手段５における抵抗値の読出しにおいても、読出電流を直列に接続したスピンバルブ構造に印加した際の各スピンバルブ構造の電圧値を検知することにより、検知対応の磁場の値を一度に決定することもできる。

次に、本発明に係る非接触電流センサ１において量子化サンプリングを行うための第２の実施形態を説明する。図５は、本発明の実施形態に係る非接触電流センサ１において、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図である。

図５に示すように、電気的手段４における電流の印加と抵抗読出手段５における抵抗値の読出しとが交互にＮ回行われるようになっている。ここで、Ｌｗ_１，Ｌｗ_２，・・・Ｌｗ_Ｎは、電気的手段４が印加する電流のパルス高さを示しており、Ｉｒは、抵抗読出手段５における読出電流を示している。
図５に示すように、電気的手段４は、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっている。つまり、電気的手段４は、電流を印加するごとに、パルス高さをＬｗ_１，Ｌｗ_２，・・・Ｌｗ_Ｎと変化させている。

本実施形態では、図３に示す電流密度の変化（量子化サンプリング数Ｎ）をＮ個の電流のパルス高さに対応させることにより、量子化サンプリングを行っている。
したがって、本実施形態によれば、１つのスピンバルブ構造のみでＮ個の量子化サンプリングを行うことができる。また、ここで、電気的手段４は、電流を印加する際、パルス高さを低い値から開始して高い値へ変化させていくように構成されると更に好適である。この構成により、フリー層１４の磁化の向きを初期化するプロセスを省略することができるためである。

次に、本発明に係る非接触電流センサ１において量子化サンプリングを行うための第３の実施形態を説明する。図６（ａ）は、電流パルス幅（対数値）と検知時に印加する電流密度との関係を示した図であり、図６（ｂ）は、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図である。

図６（ｂ）に示すように、電気的手段４における電流の印加と抵抗読出手段５における抵抗値の読出しとが交互にＮ回行われるようになっている。ここで、τ_１，τ_２，・・・τ_Ｎは、電気的手段４が印加する電流のパルス幅を示しており、τｒは、抵抗読出手段５における読出電流のパルス幅を示している。
図６（ｂ）に示すように、電気的手段４は、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっている。つまり、電気的手段４は、電流を印加するごとに、パルス幅をτ_１，τ_２，・・・τ_Ｎと変化させている。

フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な電流密度は、電流のパルス幅と以下のような関係であることが知られている。
Ｊ_Ｃ＝Ｊ_Ｃ０｛１−（ｋ_ＢＴ／Ｅ）ｌｎ（τｐ／τ０）｝（式２）
ここで、Ｊ_Ｃは、フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な電流密度の閾値であり、τｐは、その電流におけるパルス幅である。また、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｅはポテンシャルエネルギーを表す。
この式２から、電流密度の閾値Ｊ_Ｃは、パルス幅τｐの対数に反比例するという関係にある。言い換えれば、電流のパルス幅が短いほど、フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な電流密度は増加するということである。したがって、電流誘起磁場を検知する際に印加する電流のパルス幅τを短くすることは、電流密度の閾値Ｊ_Ｃを変えることに相当する。

図６（ａ）の点線で示されているように、縦軸を電流密度Ｊ_１，Ｊ_２，・・・Ｊ_Ｎとし、横軸をパルス幅の対数値をτ_１，τ_２，・・・τ_Ｎとすると、これらの関係は直線関係となる。
本実施形態では、図３に示す電流密度の変化（量子化サンプリング数Ｎ）をＮ個の電流のパルス幅に対応させることにより、量子化サンプリングを行っている。したがって、本実施形態によれば、１つのスピンバルブ構造のみでＮ個の量子化サンプリングを行うことができる。

本実施形態に係る非接触電流センサ１は、フリー層１４と、ピン層１２と、フリー層１４とピン層１２との間に配置された非磁性層としてのトンネル絶縁膜１３とを備えるＴＭＲ素子２と、電流誘起磁場Ａを検知する際にＴＭＲ素子２に電流を印加する電気的手段４と、電流誘起磁場を検知する際にＴＭＲ素子２の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段５とを備えている。そして、フリー層１４の保磁力が、検知対象とする電流誘起磁場Ａよりも大きくなるように構成されている。また、電気的手段４が、ＴＭＲ素子に電流を印加することによって、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっている。また、抵抗読出手段５が、平行な状態と反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値を検知するようになっている。
このような構成によれば、スピンバルブ構造のフリー層１４の磁化の向きがピン層１２の向きに対して平行な状態と反平行な状態とをそれぞれ論理値“０”、“１”に対応させることにより、非接触電流センサ１の磁場の検知をディジタル動作として行うことができる。このようなディジタル動作の原理により、環境ノイズに強い電流のセンシングが可能となる。しかも、ＴＭＲ素子２の素子数、電気的手段４の電流値あるいは電流パルス（またはこれらの組み合わせ）に対応した量子化により、高精度な磁場の検知が可能となる。すなわち、非接触電流センサ１における高精度な電流の検知が可能となる。

また、上述で示したＴＭＲ素子２自体の応答速度は、ｎｓ以下と高速である。そして、測定帯域は、ＤＣから磁気共鳴周波数（標準的には数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）までと広範囲である。また、ＭｇＯをトンネル絶縁膜１３としたＴＭＲ素子２を利用する場合には、高出力（〜２００％）が得られるという優れた効果が得られる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態の材料やその組成、素子サイズ、スピンバルブ構造の形成方法などに限定されるものでない。

量子化サンプリングについて３つの実施形態を示したが、これらはそれぞれ互いに重畳して利用することもできる。すなわち、複数のスピンバルブ構造を直列に接続した構成と、電流のパルス高さあるいはパルス幅を変える構成とを組み合わせることにより、より多数の量子化サンプリングが可能となる。これにより、検知対象となる磁場を高精度に検知することができる。

１非接触電流センサ
２ＴＭＲ素子
３電気パルス源
４電気的手段
５抵抗読出手段
１０基板
１１下部電極
１２ピン層
１３トンネル絶縁膜
１４フリー層
１５層間絶縁膜
１６上部電極
２０検知対象の電流
Ａ電流誘起磁場
Ｂピン層の磁化の向き
Ｃフリー層の磁化の向き

Claims

フリー層と、ピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に配置された非磁性層とを備えるスピンバルブ構造と、
電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段と、
電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段とを備え、
前記フリー層の保磁力が、検知対象とする前記電流誘起磁場よりも大きくなるように構成され、
前記電気的手段が、前記スピンバルブ構造に電流を印加することによって、前記ピン層と前記フリー層の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、
前記抵抗読出手段が、前記平行な状態と前記反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっていることを特徴とする非接触電流センサ。
面積の異なる前記スピンバルブ構造が複数設けられ、前記複数のスピンバルブ構造が直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電流センサ。
前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電流センサ。
前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電流センサ。